Ovaldach Messe Frankfurt – Tor Nord

Ovaldach Messe Frankfurt – Tor Nord
Oval Roof at Messe Frankfurt – North Gate
Architekten / Architects:
Ingo Schrader Architekt,
Berlin
www.schrader-architekt.de
Mitarbeiter / Team:
Lena Klanten
Tragwerksplaner /
Structural engineer:
Bollinger + Grohmann
Ingenieure, Frankfurt am
Main
www.bollinger-grohmann.com
Projektleiter / Project
manager:
Agnes Weilandt
Bauherr / Client:
Messe Frankfurt Venue GmbH
Lichtplanung / Architectural
lighting design:
LichtKunstLicht AG, Berlin
www.lichtkunstlicht.com
Elektroplanung / Electrical
planning:
Centerplan, Staufenberg
www.centerplan-gmbh.de
Sanitärplanung / Sanitary
engineering:
IGT Ingenieurgesellschaft für
Gebäudetechnik, Pohlheim
www.igt-giessen.de
Ausführende Firmen Ovaldach / Manufacturers oval
roof:
Prebeck GmbH, Bogen,
mit Rubner Holzbau, HEWA
und MERK Timber
www.stahlbau-prebeck.de
Lageplan
Maßstab 1:4000
Grundriss, Deckenspiegel
Maßstab 1:500
Site plan
scale 1:4000
Floor plan, ceiling plan
scale 1:500
28 projekt und prozess
Als weithin sichtbares Zeichen bildet das neue
Ovaldach am Tor Nord der Frankfurter Messe
einen markanten Orientierungspunkt mit hohem Wiedererkennungswert. Auf einer Straßenbrücke platziert, markiert die großflächige
Überdachung das Messegelände an der
Hauptzufahrt zur Frankfurter Innenstadt aus
westlicher Richtung und integriert gleichzeitig
ein rund um die Uhr besetztes rotes Gebäude
für das Wachpersonal. In intensiver Zusammenarbeit entwickelten Architekten, Tragwerksplaner und Fachfirmen eine vorgefertigte ovale Stahlkonstruktion mit den Abmessungen 42 × 18 Meter. Charakteristisch für den
Entwurf ist ein Trägerrost aus sich verschneidenden Flachstahllamellen. Durch die unregelmäßige Anordnung der Lamellen kann die
Struktur an verschiedene Geometrien und Auflagersituationen angepasst werden und stellt
somit die Matrix für weitere Dächer an anderen Standorten des Messeareals dar.
Der Trägerrost lagert auf vier im Grundriss
dreiecksförmigen, sich nach oben verjüngenden Stahlstützen, die zur Aufnahme der horizontalen Lasten am Fußpunkt eingespannt
sind. Um Zwangsbeanspruchungen aus Temperaturschwankungen zu reduzieren, wird der
Trägerrost auf zwei der vier Stützen gleitend
gelagert. Die Position der Stützen ergibt sich
aus den möglichen Lasteinleitungspunkten
der Bestandsbrücke. Die Eindeckung des
Dachs ist aus nichttragenden Holzplatten ausgebildet, in die einzelne dreiecksförmige
Oberlichter eingelassen sind. Eine indirekte
Beleuchtung der Dachuntersicht akzentuiert
bei Nacht die prägnante Struktur und unterSK
stützt zudem ihre Signalwirkung.
The new oval roof at the Messe Frankfurt North
Gate is a striking landmark visible from afar
and with high recall value. Along the main access road towards Frankfurt’s city centre, this
large roof is situated on top of a road bridge
and signals the exhibition grounds. It also includes a red guard building that is in service
around the clock. An intensive collaboration
process between architect, structural engineer,
and contractors led to a prefabricated oval
steel construction measuring 42 × 18 meters.
The design is characterized by a girder grid
consisting of intersecting flat steel slats. The irregular arrangement of slats enables the structure to adapt to different geometries and support configurations. In this regard it represents
a matrix for further roof structures at different
locations along the exhibition grounds. The
girder grid is supported by four steel columns
with a fixed base to support horizontal loads
and a triangular cross section that tapers upwards. In order to reduce stress resulting from
temperature shifts, the girder grid is mount on
slide bearings along two of the four columns.
The position of columns is derived from possible load transmission points into the existing
bridge. The roof decking consists of non-load
bearing wood panels featuring individual triangular skylights. Indirect lighting along the
underside of the roof accentuates the impressive structure and supports its signal effect
during nighttime.
∂structure 01/15
∂structure 01/15
projekt und prozess 29
Isometrie
0
0.65
50
0.6
LK5: ULS-Gesamtlast mit Lastgruppen
M-y
0.650
0.650
ERGEBNISSE MY
2
E
Max M-y: 4.54, Min M-y: -9.89 [kNm]
Position: 0901_Norddach_vu_110429
''
Projekt:
Seite:
126/144
204,5
150,5
534,5
Seite A.I / 127
131
162,5 73,5 168
G R A F I K
Tel: 069/240007-34 - Fax: 069/240007-30
8
3.6
X
Westhafenplatz 1, 60327 FRANKFURT AM MAIN
67
Z
Y
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH
3.5
0
0.650
DETAIL C
0.65
50
0.6
50
BI 40
0.6
0.6
50
2nd Set of Bars
subdivided outline
connect points
Prefabrication and assembly
The roof construction was completely prefabricated in the workshop. Slats are joined at connection nodes in two different ways. In the first
case, one slat remains continuous, while the
slat that crosses it is separated. In the second
case, both slats overlap and are connected by
use of half joints. The structural detail analysis
indicated the required strength of welding
seams based on a finite element calculation.
The prefabricated roof was then separated into seven segments that permitted transport
and re-assembly on site. The completed roof
was lifted onto the columns by use of two
cranes.
98
A Drei sich verschneidende
Träger bilden einen dreiecksförmigen Knotenpunkt.
B Die Ausrichtung der vier
Stützen bestimmt die Lage
des ersten Trägersatzes.
Platzierung des zweiten
Trägersatzes und unterteilte Umrandung
C Werkstattform einer
gevouteten Flachstahllamelle
Maßstab 1:20
D Schnittpunkt zweier Flachstahllamellen
E Gesamtlast der Dachkonstruktion mit Lastgruppen
F allgemeiner Spannungsnachweis
maximale Spannungsausnutzung 86 %
Verformungen sind für
den Großteil des Tragwerks maßgebend für die
Dimensionierung der
Tragwerkselemente.
A three intersecting beams
forming a triangular connection
B orientation of the four columns determined by the
arrangement of the first
set of beams
placement of the second
set of beams and subdivided roof outline.
C working drawing of
haunched flat steel
slat scale 1:20
D intersection of two flat
steel slats
E total loads of roof construction with load groups
F allowable stress design,
maximum stress ratio 86 %
deformations determine
dimensions of structural
members for the majority
of the structure
1.9
A
Development of the structure
The arrangement of slats was defined by a parametric design script. The height and thickness of slats was determined in relation to the
stress the material was capable of absorbing
and the maximum permissible deformation.
The first group of slats resulted from the position and orientation of columns. Column heads
are created by three different intersecting
slats. Additional steel slats are arranged within
the roof by use of a generative algorithm. As
result, a progressively interwoven structure is
created. After generating multiple possible
beam configurations, the structures are
analysed and evaluated. Evaluation criteria
include the maximum deflection, structural
weight, and manufacturing boundary conditions. The optimization algorithm begins with a
homogeneous cross section, distinguishes between height and thickness of each slat, and
chamfers them according to structural necessity. Inspired by nature, the employed algorithm
optimizes the structure by emulating growth
processes of biological systems.
Entwicklung des Tragwerks
Vorfertigung und Montage
Der asymmetrische Trägerrost ist das Ergebnis Die Dachkonstruktion wurde vollständig in der
eines mehrstufigen computerbasierten EntWerkstatt vorgefertigt. Um die Schließzeiten
wurfs- und Optimierungsprozesses, der strukdes Zufahrtstors zur Messe und die Sperrung
turelle, formale und herstellungsbedingte
der öffentlichen Straße möglichst gering zu
Randbedingungen in Einklang bringt. Mithilfe
halten, war ein hoher Grad an Vormontage
eines parametrischen Entwurfsskripts, das dierforderlich. Aufgrund der umfangreichen
rekt mit einem Berechnungstool verbunden
Schweißarbeiten an den zahlreichen Verbinist, konnte zunächst die optimale Lage der
dungsknoten bot sich eine Montage am Boden
Lamellen definiert werden. In einem zweiten
an. Die Lamellen werden an ihren KnotenSchritt werden die Höhe und Dicke der Bleche punkten auf zwei verschiedene Arten gestoin Abhängigkeit von den aufnehmbaren Span- ßen. Im ersten Fall läuft eine Lamelle durch,
nungen des Materials und unter Begrenzung
die querende Lamelle ist auf der gesamten
der maximalen Verformungen optimiert.
Höhe unterbrochen. Im zweiten Fall sind beide
Die erste Gruppe der Lamellen ergibt sich aus
Lamellen jeweils bis auf die halbe Trägerhöhe
der Position und Ausrichtung der Stützen, die
ausgeklinkt und miteinander verzahnt. Die
aufgrund der örtlichen Gegebenheiten und
Detailstatik ermittelte automatisch die erforaus architektonischen Gesichtspunkten festge- derlichen Stärken der Schweißnähte auf Grundlegt werden. Diese sind so angeordnet, dass
lage der Finiten-Elemente-Berechnung.
jeweils drei sich verschneidende Lamellen den Das vorgefertigte Dach wurde anschließend in
Kopf einer Stütze bilden. Um das Dach mit der sieben transportfähige Segmente zerteilt und
geplanten Auskragung tragen zu können, wer- schließlich unmittelbar vor Ort zusammengeden weitere Tragelemente benötigt. Mithilfe
baut. Die Aufteilung der Elemente für den
eines generativen Algorithmus werden zusätzTransport erfolgte mit der Maßgabe, die Anliche Stahllamellen in die Dachfläche platziert.
zahl der erforderlichen Schweißnähte auf der
Zwei zufällig gewählte Punkte entlang des
Baustelle zu minimieren.
Dachrandes stellen die Endpunkte der Träger- Nach dem Eindecken mit werkseitig lackiertem
achsen dar. Somit entsteht nach und nach eine Furnierschichtholz erfolgte die elektrische Ververwobene Struktur, die in der Lage ist, die ge- kabelung im Dachaufbau, das Aufbringen der
wünschten Auskragungen und Spannweiten zu Dachabdichtung, die Montage der Beleuchrealisieren. Nach der Generierung mehrerer
tung und schließlich der Hub des fertigen
möglicher Trägerkonfigurationen werden die
Dachs auf die vormontierten Stützen mithilfe
Strukturen analysiert und ausgewertet. Bewerzweier Schwerlastkräne.
tungskriterien sind hierbei die maximale
Durchbiegung, das Gewicht der Struktur und
270
1xBL40x1242.9x534.6
die Randbedingungen aus der Herstellung.
S355J0
Die Strukturoptimierung ermittelt schließlich
494,5
748,5
die erforderlichen Querschnittsabmessungen.
Jede Lamelle, die von einem Dachrand zum
anderen spannt, wird an den Verbindungsknoten unterteilt. Der Optimierungsalgorithmus,
der mit einem homogenen Querschnitt startet,
unterscheidet Höhe und Dicke jeder Lamelle
C
und schrägt diese, je nach statischer Erfordernis, ab. Die daraus resultierende Bauhöhe
der gevouteteten Flachstahlprofile mit 20
oder 40 mm Dicke variiert zwischen 150 und
71°
1243
600 Millimetern.
256
67,5 184,546,5 40,5°
686,5
Dieses nicht hierarchische Tragwerk erinnert
nicht zufällig an eine organisch gewachsene 20,5 235,5
245
674,5
12
32,5
Struktur. Inspiriert von der Natur, optimiert der
20
189 67,5
245
46,5
660,5
12
angewandte Algorithmus die Konstruktion
durch die Nachbildung von WachstumsproC
Pos. C - C
zessen biologischer Strukturen.
Roof Outline
16 16
3
16
B
30 projekt und prozess
5°
s4
D
BI 40
3
bi
16
16
2nd Set of Bars
50°
16
Column Position
F
1st Set of Bars
following column
direction
∂structure 01/15
∂structure 01/15
projekt und prozess 31
0
4
Bl
3 M24x110
DIN 6914 8.8
Bl
15
Bl 30x180
2x PTFE-Folie 1mm selbstklebend
9
9
Bl 12
10
2
Bl 40
7
1 M36x200 8.8; DIN 976
in Kopfplatte Stütze einschrauben
3
1
9
Bl 20
8
3 M24x135
DIN 6914 8.8
Bl 12
10
8
2
Dacheindeckung
Sperrholzplatten
Dacheindeckung
Sperrholzplatten
Dacheindeckung
Sperrholzplatten
Dacheindeckung
Sperrholzplatten
z.B.
51
mm
Kerto
Q
04/15
z.B.
51
mm
Kerto
Q
04/15
z.B.
51
mm
Kerto
Q
04/15
z.B.
51
mm
Kerto
Q
04/15
10
Dachtragwerk
Flachstahlträger
Dachtragwerk
Flachstahlträger
Dachtragwerk
Flachstahlträger
Dachtragwerk
Flachstahlträger
40
mm
bzw.
20
mm
40
mm
bzw.
20
mm
t=
40
mm
bzw.
20
mm
t= t=
40t=
mm
bzw.
20
mm
Bl 50x150 2x Bl 40
Calenberg
Ciparall-Gleitlager
Calenberg
Ciparall-Gleitlager
Calenberg
Ciparall-Gleitlager
Calenberg
Ciparall-Gleitlager
Typ
ST
t 40
=t 40
mm
Typ
ST
=mm
40
mm
Typ
ST
t=
40
mm
Typ
ST
t=
Statik)
(s.
Statik)
(s.
Statik)
(s. (s.
Statik)
67
3
4
Alle
sichtbaren
Stahl-Oberflächen
weiß
lackiert
Alle
sichtbaren
Stahl-Oberflächen
weiß
lackiert
Alle
sichtbaren
Stahl-Oberflächen
weiß
lackiert
Alle
sichtbaren
Stahl-Oberflächen
weiß
lackiert
G
G Draufsicht Stützenkopf
Festes Lager
Maßstab 1:10
H Vertikalschnitte Stützen
Maßstab 1:50
J Detailschnitt Dachrand
und Dachoberlicht
Maßstab 1:5
G top view, column head,
fixed base
scale 1:10
H vertical section columns
scale 1:50
J detail section roof border
and skylight
scale 1:5
5
2
2x PTFE-Folie 1mm selbstklebend
8
4
4
J
Referenzstütze
Referenzstütze
Referenzstütze
fürfürfürfür
Referenzstütze
Breite
an
Basis
(65
cm)
Breite
Breite
an
Basis
an
Basis
(65
cm)
(65
cm)
Breite
an
Basis
(65
cm)
1 3 mm fascia, steel sheet
metal
2 150/100/10 mm steel angle oval in plan, bolted to
steel slats; 60 mm M 20
(5.6) bolts
3 electrical heating circuit,
self-regulating
4 20–40 mm flat steel girder
grid, white paint finish
5 50 mm border fascia, veneer laminated timber,
pressure treated
6 51 mm roof decking, laminated veneer timber,
pressure treated; underside veneer surface white
paint finish
7 1,5 mm aluminium sheet
metal, white coating
8 4 mm composite panel
aluminium, white paint
finish
9 skylight laminated safety
glass, 2× 12 mm float
glass
0.15
0.15
0.15
0.15
Stütze
4 (Ost)
Stütze
Stütze
Stütze
4 (Ost)
4 (Ost)
4 (Ost)
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
4
0.60
0.60
0.60
0.60
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.15
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.15
0.15
0.15
0.15
+108,38
= OK
Attika
+108,38
+108,38
+108,38
= OK
=Attika
=
OK
OK
Attika
Attika
Stütze
3 (Süd)
Stütze
3 (Süd)
Stütze
Stütze
3 (Süd)
3 (Süd)
0.15
0.15
0.15
0.15
Stütze
2 (Nord)
Stütze
2 (Nord)
Stütze
Stütze
2 (Nord)
2 (Nord)
0.60
0.60
0.60
0.60
Stütze
1 (West)
Stütze
1 (West)
Stütze
1 (West)
Stütze
1 (West)
0.15
0.15
0.15
0.15
4.40
4.40
4.40
4.40
4.57
4.57
4.57
4.57
4.43
4.43
4.43
4.43
+107,63
+107,63
+107,63
+107,63
4.65
4.65
4.65
4.65
1 Attikaabdeckung
Stahlblech 3 mm
2 Stahlwinkel
150/100/10 mm, im
Grundriss oval gebogen,
verschraubt mit
Flachstahlträgern, Bolzen
M 20 (5.6), l = 60 mm
3 Heizband elektrisch,
selbstregulierend
4 Trägerrost Flachstahl
20 – 40 mm, weiß lackiert
5 Randaufkantung Furnierschichtholz 50 mm,
kesseldruckimprägniert
6 Dachabdichtung
Furnierschichtholz 51 mm,
kesseldruckimprägniert
unterseitig Deckfurnier,
Farbanstrich weiß
7 Aluminiumblech 1,5 mm,
weiß beschichtet
8 Laibung Verbundplatte
Aluminium 4 mm,
weiß lackiert
9 Oberlicht:
Verglasung VSG
aus 2× Float 12 mm
9
7
+103,06
+103,06
+103,06
+103,06
0.64
0.64
0.64
0.64
+103,23
+103,23
+103,23
+103,23
+103,20
+103,20
+103,20
+103,20
+102,98
+102,98
+102,98
+102,98
5 5 5 5
0.62
0.62
0.62
0.62
0.65
0.65
0.65
0.65
8
5 5 5 5
0.62
0.62
0.62
0.62
4
Stütze
Stütze
1 1 11
Stütze
Stütze
H
32 projekt und prozess
7
Wandstärke
Stütze
Wandstärke
Stütze
Wandstärke
Stütze
Wandstärke
Stütze
=t 15
mm
=mm
15
mm
t =t 15
t=
15
mm
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
800
x 760
x 35
x x760
xmm
35
mm
800
x800
760
800
x35
760
xmm
35
mm
Stütze
Stütze
2 2 22
Stütze
Stütze
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
800
x 800
x 50
800
x800
800
800
x x800
x50
800
xmm
50
xmm
50
mm
mm
Stütze
Stütze
3 3 33
Stütze
Stütze
Referenzstütze
Referenzstütze
fürfürfürfür
Referenzstütze
Referenzstütze
Breite
an
Basis
(65
cm)
Breite
an
Basis
(65
cm)
Breite
an
Basis
(65
cm)
Breite
an
Basis
(65
cm)
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
800
x
760
x
35
mm
x x760
xmm
35
mm
800 x800
760
800
x35
760
x 35
mm
Stütze
Stütze
Stütze
Stütze
4 4 44
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
Fußplatte
800
x 800
x 50
x x800
xmm
50
mm
800
x800
800
800
x50
800
xmm
50
mm
∂structure 01/15
∂structure 01/15
projekt und prozess 33